DE19642379C2 - Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von Gewebe und Blasen mittels eines Ultraschallabbildungssystems - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von Gewebe und Blasen mittels eines Ultraschallabbildungssystems. Insbesondere ist diese Erfindung auf das Erhöhen der Empfindlichkeit bei der Er­ fassung von nichtlinearen Antworten von Ultraschall-Rück­ streueinrichtungen ausgerichtet.

Medizinische Ultraschallabbildungssyteme wurden unter der Prämisse entworfen, daß das Auftreffen von Ultraschallener­ gie eine lineare Antwort erzeugt. Um linear zu sein, muß ein System, wenn es als Eingabe (a . x1(t) + b . x2(t)) erhält, als Ausgabe (a . y1(t) + b . y2(t)) liefern, wenn x1(t) ein System­ eingangssignal, y1(t) das entsprechende Ausgangssignal, x2(t) ein weiteres Systemeingangssignal und y2(t) das ent­ sprechende Ausgangssignal sind.

Gegenwärtige Forschungstrends konzentrieren sich auf das Un­ tersuchen nichtlinearer Antworten auf Ultraschallenergie. Es wurde beispielsweise herausgefunden, daß bestimmte Kontrast­ mittel eine Antwort bei einer zweiten Harmonischen auf auf­ treffende Ultraschallenergie liefern, wobei diese Antwort verwendet werden kann, um mehr diagnostische Informationen bezüglich umgebender Gewebe zu liefern. Eine Antwort bei der zweiten Harmonischen tritt auf, wenn ein Mittel unter an­ steigendem Ultraschalldruck Energie in seine Harmonischen statt in die Grundwelle "abbildet".

Bei einem bekannten Diagnosesystem, das von Johnson u. a. in dem U.S. Patent Nr. 5.456,257 offenbart ist, wird die Anwesenheit beschichteter Mikroblasenkontrastmittel in dem Kör­ per eines Patienten durch Übertragen von Ultraschallenergie erfaßt, wodurch die Zerstörung der Mikroblase bewirkt wird. Das Diagnosesystem erfaßt die Mikroblasenzerstörung durch eine Phasen-unempfindliche Erfassung und Unterscheidung von Echos, die von zwei aufeinanderfolgenden Ultraschallüber­ tragungen empfangen werden. Die Zerstörung einer Mikroblase kann ebenfalls als eine Punktquelle von Schallenergie für eine Aberrationskorrektur verwendet werden, wodurch die Zeitgebung des Strahlformers aus einer Analyse von Strahl­ formersignalen eingestellt wird, welche aus dem Ereignis der Zerstörung einer Mikroblase resultieren.

Es würde wünschenswert sein, das Ergebnis des Mikroblasen­ aufbrechens auf eine Art und Weise zu erfassen, durch die die nichtlineare Antwort der Blutgeschwindigkeit deutlich von Bewegungsinduzierten Signalen unterscheidbar ist.

D. L. Miller beschreibt in dem Artikel "Ultrasonic detection of resonant cavitation bubbles in a flow tube by their second-harmonic emissions" in Ultrasonic, September 1991, Seiten 217 bis 224 die Möglichkeit, resonante Blasen mittels eines Detektors zu erfassen. Hierfür wird ein einzelner Wandler zum Senden von Ultraschallenergie mit einer festge­ legten Sendeleistung, und ein zweiter Wandler als Empfangs­ wandler verwendet, um die entsprechenden Blasen zu erfassen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von Gewebe und Blasen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 ge­ löst.

Eine Abbildung mit erhöhter Empfindlichkeit auf nichtlineare Antworten (z. B. zweite Harmonische) kann erhalten werden, indem die Ultraschallantwort auf mehrere Erregungspegel ge­ messen wird. Die aus den mehreren Erregungspegeln gesammel­ ten Antworten werden Verstärkungs-korrigiert, und zwar um einen Betrag, der der Differenz der Erregungspegel ent­ spricht, wonach sie subtrahiert werden. Aufgrund dieser Sub­ traktion wird der größte Teil der linearen Antwort entfernt sein, weshalb der Rest der nichtlinearen Antwort entspricht.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Filter der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 ein Flußdiagramm, das dem in Fig. 1 gezeigten Fil­ ter entspricht.

Fig. 1 ist eine Darstellung der vorliegenden Erfindung. Ein Wandler 10 ist mit einem Sende/Empfangs-Schalter 12 (T/R- Schalter; T/R = Transmit/Receive) verbunden. Der T/R-Schal­ ter 12 weist zwei Eingänge auf: für eine Sendelinie 1 12A und für eine Sendelinie 2 12B. Der T/R-Schalter 12 ist fer­ ner mit einem Gesamtverstärkungssteuerungsverstärker 14 (TGC-Verstärker; TGC = Total Gain Control) verbunden. Der TGC-Verstärker 14 ist mit einem ersten Strahlformer 16 ver­ bunden. Der erste Strahlformer 16 ist mit einem ersten und mit einem zweiten Verstärkungsverstärker 18, 20 verbunden. Jeder Verstärkungsverstärker 18, 20 ist mit einem Analog/Di­ gital-Wandler 22 verbunden, der ferner mit einer Linie-1- Speicherungseinheit 24A und mit einer Linie-2-Speicherungs­ einheit 24B verbunden ist. Beide Speicherungseinheiten 24A, B sind mit einem ersten Akkumulator 28 und mit einem ersten Postprozessor 32 verbunden. Ein Hüllkurvendetektor 34 ist zwischen den Verstärker 18 mit der ersten Verstärkung und einem zweiten Postprozessor 36 geschaltet. Ein zweiter Akku­ mulator 38, dessen Eingängen mit dem ersten bzw. dem zweiten Postprozessor 32, 36 verbunden sind, ist mit einer Anzeige 40 verbunden.

Der T/R-Schalter 12 trennt den Senderabschnitt der Schal­ tungsanordnung von dem Empfängerabschnitt. Die Senderschal­ tungsanordnung erlaubt eine variable Sendeleistung zwischen Sendeereignissen (Ultraschallinien), welche in dem Diagramm als Erregungen bei V1 und V2 gezeigt sind. Signale werden in dem TGC-Verstärker 14 empfangen. Das Ausgangssignal der TGC-Stufe läuft zu einem weiteren Verstärker, welcher eine variable Verstärkung zwischen Sendelinien aufweist. In dem Diagramm beträgt die Verstärkung für die Linie 1 Eins, wäh­ rend die Verstärkung für die Linie 2 V1/V2 beträgt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird dann strahlgeformt, gefiltert und in ein In-Phase-(I-) und in ein Quadratur- (Q-) Basisbandsignal abwärtsgemischt und demoduliert. Das Signal wird dann Hüllkurven-erfaßt und in einem Speicher gespeichert. Die Speicherung ist für die mehreren Sendeereignisse verfügbar, welche mit unterschiedlichen Erregungs­ pegeln auftreten. In dem Blockdiagramm werden die Linie 1 und die Verstärkungs-korrigierte Linie 2 in dem Speicher gespeichert und dann subtrahiert. Dieses Signal wird mit einem Signal der Sendelinie (z. B. Linie 1) summiert, welches ebenfalls, komprimiert, Abtast-umgewandelt und nachverarbei­ tet worden ist. Beide Abbildungen werden gleichzeitig auf einer Videoanzeige angezeigt.

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das dem in Fig. 1 gezeigten Blockdiagramm entspricht. In einem Schritt 100 wird eine er­ ste Antwort erregt und bei einer ersten Leistungseinstellung gemessen. In einem Schritt 110 wird eine zweite Antwort er­ regt und bei einer zweiten Leistungseinstellung gemessen. In einem Schritt 120 wird die erste Antwort für die zweite Lei­ stungseinstellung skaliert, um eine projizierte Antwort zu erzeugen. Dieses Verfahren baut auf einer geradlinigen Ap­ proximation der projizierten Antwort. In einem Schritt 130 wird die projizierte Antwort von der zweiten Antwort sub­ trahiert, um die nichtlineare Antwort zu bestimmen. Wenn das Objekt, das schallmäßig angestrahlt wird, linear ist, würde das Resultat Null sein.

Der Wert des offensichtlichen Strahlquerschnitts der Streu­ einrichtung variiert mit der Sendeleistung und ist für Ge­ webe und für Mikroblasen unterschiedlich. Es wurde bei­ spielsweise gezeigt, daß Blasen ein Ansprechverhalten zei­ gen, durch das Komponenten bei der zweiten Harmonischen als Funktion des Quadrats der einfallenden Leistung erzeugt wer­ den, wie es von D. T. Miller in "Ultrasonic Detection of Resonant Cavitation Bubbles in a Flow Tube by their Second- Harmonic Emissions", September 1981, Ultrasonics, beschrie­ ben ist. Gewebe weist ebenfalls nichtlineare Komponenten auf, welche viel kleiner sind.

Das Erreichen unterschiedlicher Leistungseinstellungen kann auf eine von mehreren Arten und Weisen durchgeführt werden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Erreichen von unterschiedlichen Leistungseinstellungen besteht darin, die Senderspan­ nung zu variieren. Dies variiert die Druckamplitude der ge­ sendeten Welle.

Alternativ können unterschiedliche Leistungseinstellungen durch Steuern der Größe der Apertur der Wandleranordnung erreicht werden. Dies kann in der lateralen oder elevatio­ nalen Richtung durch Verwendung von synthetischen Aperturen durchgeführt werden. Die Apertur ist in zwei oder mehr Grup­ pen aufgeteilt, wobei eine Sendelinie von jeder Gruppe ge­ trennt abgefeuert wird. Die daran anschließenden Empfangs­ informationen werden gespeichert. Die gesamte Apertur wird dann in der gleichen Richtung abgefeuert, wonach ihre Em­ pfangsechos gespeichert werden. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel umfaßt der Skalierungsschritt das Strahlformen der Antwort von den zwei kleineren Aperturen und das Subtrahie­ ren derselben von der gesamten Apertur, um die nichtlineare Antwort zu bestimmen.

Ein weiterer Weg zum Steuern des Sendeausgangssignals be­ steht darin, einen Teilsatz von Elementen in dem Array abzu­ feuern und die skalierte Teilsatzantwort mit der Antwort des gesamten Arrays zu vergleichen. Dies wird so durchgeführt, um Gitterkeulen zu minimieren, die von der Unterabtastung der Apertur stammen, und um Steuerfehler zu minimieren, die aufgrund von Asymmetrien um die Mitte der Apertur herum vor­ handen sind.

Obwohl die Erfindung unter Verwendung von zwei Erregungspe­ geln dargestellt worden ist, können Fachleute das Konzept erweitern, in dem sie N Erregungspegel anwenden, wobei N ≧ 2 ist, und indem sie auswählen, welche der entsprechenden N Antworten die gewünschte Empfindlichkeit für die nichtli­ neare Antwort schaffen wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von Gewebe und Blasen mittels eines Ultraschallabbildungs­ systems, mit folgenden Schritten:
Erregen und Messen einer ersten Antwort bei einer er­ sten Leistungseinstellung (100);
Erregen und Messen einer zweiten Antwort bei einer zweiten Leistungseinstellung, wobei die zweite Lei­ stungseinstellung höher als die erste Leistungseinstel­ lung ist (110);
Skalieren der ersten Antwort für die zweite Leistungs­ einstellung, um eine skalierte Antwort zu erzeugen (120); und
Subtrahieren der skalierten Antwort von der zweiten Antwort, um die nichtlineare Antwort zu bestimmen (130).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Leistungseinstellung Spannungspegel sind.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Erregens und Messens einer er­ sten Antwort den Schritt des Auswählens der ersten Leistungseinstellung durch Reduzieren der Apertur auf­ weist, derart, daß ein bestimmter Teil der Wandleran­ ordnung aktiv ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Reduzierens der Apertur das symmetrische Abfeuern eines Teilsatzes von Elementen der Wandleranordnung umfaßt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3,
bei dem der Schritt des Reduzierens der Apertur ferner folgende Schritte aufweist:
Aufteilen der Wandleranordnung in zwei Gruppen unter Verwendung einer synthetischen Apertur; und
Abfeuern einer Linie von jeder der zwei Gruppen;
bei dem der Schritt des Erregens und Messens der zwei­ ten Antwort ferner das Abfeuern der gesamten Apertur in der gleichen Linie aufweist, und
bei dem Schritt des Skalierens das Gruppieren der Ant­ wort von den zwei Gruppen und das Vergleichen der grup­ pierten Antwort mit der zweiten Antwort aufweist, um die Nichtlinearität der Blasen und des Gewebes zu be­ stimmen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die erste Leistungseinstellung halb so groß wie die zweite Leistungseinstellung ist.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste und die zweite Leistungseinstellung aus einer Leistungsgruppe mit zumindest zwei unter­ schiedlichen Leistungspegeln ausgewählt sind.